CN107846042A - 一种提高火电机组辅机变频器高低压穿越能力的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高火电机组辅机变频器高低压穿越能力的方法，包括：低电压穿越方法：在电源进线电压跌落时，通过低压穿越电容向变频器中的逆变器提供直流电源支撑。高电压穿越方法：当变频器进线交流电压急速升高至额定电压水平以上时，以耗能斩波的方式限制电压。由此解决了现有技术中存在的故障发生频繁、设备造价昂贵、算法复杂繁琐、给电网和发电机组的安全稳定运行带来严重危害的技术问题。本发明方法控制回路简单、响应迅速，提高了火电厂和电网的安全稳定运行水平。

Description

一种提高火电机组辅机变频器高低压穿越能力的方法

技术领域

本发明属于大功率电力电子技术中的高电压穿越和低电压穿越能力测试领域，特别涉及一种提高火电机组辅机变频器的高、低电压穿越能力的技术方法。

背景技术

通常，大电网中常会发生短路或其他故障引起系统电压的骤升、骤降，若故障点发生在300MW及以上大型火电厂的关键元件，如火电机组的辅机变频器的附近，则有可能导致辅机变频器跳闸，进一步导致停炉致使发电机组发送脱网事件，给处于故障下的电网造成又一次冲击，恶化电力系统的安全稳定水平，给电力系统的安全、稳定运行带来极大威胁。因此，研究一种提高火电机组辅机变频器高、低压穿越能力的技术方法有利于提高整个电网安全稳定水平，避免火电机组不必要的停机，对社会具有重大的经济意义。

目前对于火电机组一类辅机变频器低电压穿越的研究，对提高火电机组一类辅机变频器低电压穿越能力的技术方案主要包括：DC/DC技术支持方案、在线串联不间断电源方案、双电源切换方案以及动态电压恢复器方案等。在线串联不间断电源容量小、转换效率低、保护级别高、投资成本高，若在线串联不间断电源本身发生了故障，直接影响到变频器的正常工作，因而在线串联不间断电源的应用受到了限制。双电源切换方案以及动态电压恢复器方案从变频器的进线侧入手来提高其低电压穿越能力，系统主要由储能模块、逆变模块、检测电路、控制电路等组成。但受其控制算法的复杂度、相对昂贵的价格、较小的容量等方面的影响，双电源切换方案以及动态电压恢复器方案的应用受到了一定的限制。

在火电机组一类辅机变频器高电压穿越的研究方面，我国颁布了《电能质量电压暂升、暂降与短时中断》技术要求规范。规范中明确指出系统电压暂升是指电力系统中某点工频方均根值暂时上升至1.1～1.8p.u.，并在短时持续10ms～1min后恢复正常的现象。有时电网故障会导致电压短时升高，比如电网电压下降导致突然损失负荷，进而引起电压的骤然升高、单相接地故障导致的单相重合闸可引发电网三相不对称高压、电网电压跌落故障清除后的恢复过程中也会因所投入的电容补偿器不能及时退出而引发电网电压的骤升。当电网电压升高到一定值时会导致发电机辅机变频器跳机，若所跳机组为关键辅机，则有可能导致MFT，给电网和发电机组的安全稳定运行带来严重危害。

发明内容

本发明提出一种提高火电机组辅机变频器高低压穿越能力的方法。其中，低电压穿越方法：在电源进线电压跌落时，通过低压穿越电容向变频器中的逆变器提供直流电源支撑。高电压穿越方法：当当变频器进线交流电压急速升高至额定电压水平以上时，以耗能斩波的方式限制电压。由此解决了现有技术中存在的故障发生频繁、设备造价昂贵、算法复杂繁琐、给电网和发电机组的安全稳定运行带来严重危害的技术问题。

本发明采用的技术方案是：一种提高火电机组辅机变频器高低压穿越能力的方法，其特征在于：

1)、低电压穿越方法：在电源进线电压跌落时，通过低压穿越电容向变频器中的逆变器提供直流电源支撑，具体为：

在变频器直流侧配备低压穿越电容，其低压穿越电容的端电压小于变频器直流电压值，变频器直流侧与低压穿越电容之间串联反向二极管；当火电机组辅机变频器进线电压值下降时，低压穿越电容以续流二极管为通道，向逆变器提供直流能量，使变频器在一定的时间内保持稳定运行；

2)、高电压穿越方法：当变频器进线交流电压急速升高至额定电压水平以上时，以耗能斩波的方式限制电压，具体为：在电网母线上设有检测电路，将制动电阻R与负载Rl并联，并通过电子开关S控制制动电阻R的接入和脱离；当母线上的检测电路检测到电网电压因故障而瞬间升高时，电子开关S闭合，使制动电阻R接入运行；当电网电压正常时，电子开关S断开，使制动电阻R退出运行。

所述的1)中，大电容的最高端电压值应小于变频器直流侧母线电压的额定值。

所述的1)中，低压穿越电容容量为0-100μf；将此条件下的低压穿越电容视为线形储能原件，其电容的端电压与放电时间成线形关系。

所述的2)中，检测电路试试检测母线上的直流电压，并与变频器热定直流电压比较达到差值，通过PI控制器，控制电子开关S中IGBT的占空比，从而控制控制电子开关S的通断状态。

本发明的有益效果是：

本发明是一种提高火电机组辅机变频器高低压穿越能力的方法。其中，低电压穿越方法：在电源进线电压跌落时，通过低压穿越电容向变频器中的逆变器提供直流电源支撑。高电压穿越方法：当变频器进线交流电压升急速升高至一定程度，以耗能斩波的方式限制电压。该方法建立低压穿越电容数学模型；根据电厂实际参数，以提高火电机组辅机变频器低电压穿越能力为目标条件，制定对应的基于低压穿越电容支撑的低电压穿越技术方案；以提高火电机组辅机变频器高电压穿越能力为目标条件，制定耗能型高电压穿越方案。该方法以提高火电机组辅机高、低压故障穿越能力为最终目标，给出最优的技术发明方案，提高了火电厂和电网的安全稳定运行水平。

附图说明

图1：充电时间与充电电流关系曲线。

图2：低压穿越电容放电模型。

图3：低压穿越电容与放电时间特性曲线。

图4：高电压穿越方案等效电路图。

具体实施方式

一种提高火电机组辅机变频器高低压穿越能力的方法，其特征在于：

1)、低电压穿越方法：在电源进线电压跌落时，通过低压穿越电容向变频器中的逆变器提供直流电源支撑，具体为：

在变频器直流侧配备低压穿越电容，其低压穿越电容的端电压小于变频器直流电压值，变频器直流侧与低压穿越电容之间串联反向二极管；当火电机组辅机变频器进线电压值下降时，低压穿越电容以续流二极管为通道，向逆变器提供直流能量，使变频器在一定的时间内保持稳定运行；

2)、高电压穿越方法：当变频器进线交流电压急速升高至额定电压水平以上时，以耗能斩波的方式限制电压，具体为：

在电网母线上设有检测电路，将制动电阻R与负载Rl并联，并通过电子开关S控制制动电阻R的接入和脱离；当母线上的检测电路检测到电网电压因故障而瞬间升高时，电子开关S闭合，使制动电阻R接入运行；当电网电压正常时，电子开关S断开，使制动电阻R退出运行。

所述的1)中，大电容的最高端电压值应小于变频器直流侧母线电压的额定值。

所述的1)中，低压穿越电容容量至为0-100μf；将此条件下的低压穿越电容视为线形储能原件，其电容的端电压与放电时间成线形关系。

所述的2)中，检测电路试试检测母线上的直流电压，并与变频器热定直流电压比较达到差值，通过PI控制器，控制电子开关S中IGBT的占空比，从而控制控制电子开关S的通断状态。

具体分析过程：

一种提高火电机组辅机变频器高、低压穿越能力的技术方法，通过对基于大电容支撑的低电压穿越方案和耗能型高电压穿越方案进行设计，本发明的设计有利于火电机组在电网发生故障时能够可靠运行，对于保障电网和火电机组的稳定运行具有重要理论和实践价值，对于提高大电网安全及减少国家经济损失具有重要的现实意义，其特征在于：该方法步骤如下：

1、低压穿越电容放电模型建立，此电容为容量为0-100μf的电容，以下简称为大电容。与传统的电化学电池相比，大电容的工作原理大不相同，其充放电过程发生的是物理变化，大电容为一种线性元件，根据大电容储能特性可知，随其内部存储电荷的增多，其端电压逐渐上升。等效串联阻抗R_es的存在是不可避免的，所以当大电容充放电时，电流流过R_es便会产生压降。若采用恒流方式对超级电容器经典模型进行充电，设恒流充电电流值为I_s，超级电容初始电压为0V，额定电压为U_N，充电时间为t，端电压为U(t)，其内部电荷形成的电容电压为U_c(t)。则有：

U(t)＝U_c(t)+R_es*I_s (1)

在大电容充电过程中，设损耗在上的电能为，该热量损耗是充电时的主要损耗，其计算式为：

W_s＝I_s ²*R_es*t (2)

在大电容充电结束后，其端电压为额定值，设充电过程中的充电电流为i，所以可将充电电流与充电时间的关系式表示为：

最终可得：

2、大电容放电特性分析：充电时间会随充电电流的增大而减小，充电电流与时间的关系曲线由图1所示。

充电电流与耗损在上的能量之间的关系式可表示为：

W_s＝C_F*I_s*R_es*(U_N-R_es*I_s) (6)

由上式可知，充电过程中能量损耗W_s跟充电电流I_s是二次函数关系，而不是简单的反比或正比函数关系。当大电容电压达到额定值时，设大电容存储能量为W_c，则能量的表达式为

以图2所示的大电容模型作为参照，当等效并联阻抗R_ep远远大于等效负载电阻时，可在大电容放电时，忽略等效并联阻抗的影响。为了进一步简化对工程应用中超级电容的分析，大电容的经典模型可进一步简化为如图所示的一个电容与一个R_es相串联的模型。

根据上式可知，当大电容处于放电状态时，放电电流和等效串联阻抗决定了端电压的大小。当处于小电流放电状态时，R_es压降非常小，在后续计算过程中可以忽略，将大电容等效为理想电容器。在大电流放电情况下，R_es上的压降不可被忽略。由上述可知，受R_es的影响，在大电容放电的末期，大电容仍会有较大的端电压值U_c(t)。在这种情况下，大电容中所存储的能量完全释放出来，同时，大电容的放电效率也因为等效串联阻抗的存在而被降低。因此，可将大电容视为线性储能元件，在一定程度的放电电流值下，大电容的端电压与放电时间成线性关系，如图3所示。

3、本发明设计了基于大电容支撑的低电压穿越方案，以辅机变频器直流环节为研究对象，在变频器直流侧配备相当容量的大电容，在电源进线电压跌落时，大电容向变频器逆变器提供直流电源支撑，具体描述为：

在电网交流侧供电正常时，辅机变频器通过三相交流电源供电，将大电容的端电压设置为小于变频器直流电压值，大电容位于储能状态，不能够输出电流；在火电机组辅机变频器进线电压值下降时，大电容直流电压值大于辅机变频器直流母线电压值，此时大电容以续流二极管为通道，向逆变器提供直流能量，可以使变频器在一定的时间段内保持稳定运行。在火电机组辅机变频器的直流侧和大电容之间串联反向二极管，可以避免辅机变频器整流侧承受附加的大电容充电电流而导致的过载问题。大电网的电压水平在正常方式下也存在较小波动，这会导致直流侧电压值随之发生变动。如果将大电容组合电压设置成母线电压额定值，会使大电容频繁的充放电。在频繁的充放电过程中，大电网的充电单元随之启动，一方面影响了电力系统的安全稳定性，另一方面会缩短大电容的使用寿命。为了解决上述问题，大电容的最高端电压值应小于变频器直流侧母线电压的额定值。

4、本发明设计了一种耗能型高电压穿越技术方案。所谓高电压穿越，就是电网发生异常，导致变频器进线交流电压升高至一定程度，并持续一定时间的情况下，变频器不跳机。本发明设计的在变频器直流环节配置卸能斩波电阻方案控制简单、实现方便，而且对于火电厂来说成本低廉。

当电厂进线电压急速上升时，以耗能斩波的方式限制高电压，以此来提高火电机组辅机变频器的高电压穿越的能力。其工作原理为：当电网电压正常时，电子开关S开路，制动电阻R处于退出运行状态，与系统脱离联系；当电网电压因故障而瞬间突然升高时，开关S闭合，将制动电阻R(也可称之为能耗电阻)投入运行，与等效负载电阻并联，因耗能电阻有较大的耗能功率，直流母线上的电流升高，则负载等效电阻上的压降减小，故在制动电阻投入后直流母线电压会被消减。耗能电阻的投入与退出受控于电力电子开关S，而S的控制信号来自于母线电压的检测电路。为简化分析及运算，能耗型高电压穿越原理如图4所示。

5、变频器整流输出等效为直流电压源与电源等效内阻r相串联，逆变部分与电动机可等效为负载电阻。当开关S开路时有：

U-I*r＝R_L*I (8)

U_dc＝R_L*I (9)

当开关S闭合时，

根据上式可得：

一般情况下，R的取值比较小时，制动电阻R所消耗的功率值则较大。当开关S闭合时，制动电阻R两端电压为U_dc，电流将瞬间增大。根据上式可知U_dc下降。因此当变频器进线电压升高时，投入适当功率的制动电阻R，可将变频器直流电压控制在变频器可运行的电压范围内。

6、为了解决实时跟踪电网电压变化问题，本发明设计了直流电压检测及开关控制方法。具体描述为：电网中三相交流电压的突然变化，会在变频器的直流侧母线中直接反映，通过本发明设计的实时检测变频器直流母线电压技术，控制电力电子开关的通断，提高变频器的高电压穿越能力。本发明采用变频器直流环节电压的平均值，对固定周期内采样值进行取平均值可得到：

上式中，N为固定周期内的电压采样次数，为第i次的电压采样值。采样得到的电压与变频器额定直流电压相比较，得到电力电子开关S的控制信号。具体描述为：当电压达到变频器过电压保护值时，启动直流电压控制，产生的控制信号触发电力电子开关S，并依据实时检测到的直流电压与变频器额定直流电压的差值，通过PI控制得到S中IGBT的占空比，用来控制开关S的通、断。

7、直流电压检测及开关系统的投入、退出判据。在电网电压处于正常运行状态时，卸能斩波电阻处于旁路状态，与系统隔离；当电网发生故障导致系统电压骤然升高时，此时会引起辅机变频器直流电压升高，电压检测模块实时跟踪高电压信号，通过附加控制电路控制开关S闭合，将耗能制动电阻设置为正常工作状态。采用PI控制方式控制电力电子开关S的通断，使耗能制动电阻快速投入及退出。保证在三相电压升高期间，直流母线电压被限制在较低水平，以维持变频器不因电压过高而发生跳机动作。通过理论分析，确定投入、退出策略如下。投入策略为：对检测模块检测到的变频器直流电压值进行判断，若检测到的电压值高于设定值，启动控制模块，使S处于导通状态，耗能制动电阻被投入。切除策略为：若三相进线电压的值低于设定值时，电力电子开关S断开，退出耗能电阻的投入。

其基本原理如下：

一种提高火电机组辅机变频器高、低压穿越能力的技术方法的主要原理为：在提升辅机变频器低电压穿越能力方面，当电网交流侧供电正常时，辅机变频器通过三相交流电源供电，将大电容的端电压设置为小于变频器直流电压值，大电容位于储能状态，不能够输出电流；在火电机组辅机变频器进线电压值下降时，大电容直流电压值大于辅机变频器直流母线电压值，此时大电容以续流二极管为通道，向逆变器提供直流能量，可以使变频器在一定的时间段内保持稳定运行。在提升辅机变频器高电压穿越能力方面，当电网电压正常时，电子开关S开路，制动电阻R处于退出状态，不参与系统的运行；当电网电压因异常而骤然升高时，开关S闭合，制动电阻投入，与等效负载电阻并联，因耗能电阻有较大的耗能功率，直流母线上的电流将升高，则负载等效电阻上的压降减小，故在制动电阻投入后直流母线电压会被消减。耗能电阻的投入与退出受控于电力电子开关S，而S的控制信号来自于母线电压的检测电路。

本实施方式中，在某实际电厂辅机变频器中利用本发明所提出的高、低压穿越能力的技术方法。应用本发明提出的技术方法后，在电网发生故障方式下火电机组能够保持安全稳定运行，对于保障电网和火电机组的稳定运行具有重要理论和实践价值。上述提高火电机组辅机变频器高、低压穿越能力的技术方法，包括如下步骤：

步骤1：根据实际电厂辅机变频器的情况，建立大电容数学模型。在实际工程应用中，大电容等效模型需简化为有限的RC串、并联支路，为简化对超级电容的分析，可将传输线模型等效为一条RC支路电路。应用于实际中的超级电容器，其实际模型是复杂的阻容网络结构，包含众多容阻支路，且不同的支路都有各自的电容、电阻，每条支路对应的时间常数也各不相同。鉴于超级电容器的物理特性十分复杂，适用分布式参数模型对超级电容器进行描述。在一般场合，超级电容器可采用简化等效模型，在储能应用研究中，此模型被称为超级电容器的经典模型，一般利用该模型对超级电容进行原理性分析及电路仿真。

步骤2：设计基于大电容支撑的低电压穿越方案，以辅机变频器直流环节为研究对象，在变频器直流侧配备相当容量的大电容，对电容配置容量进行计算。由理论分析可知，大电容的放电电流越大，其端电压就下降越快。所以，变频器所带负载越大时，若要维持一定的末期直流电压以保证变频器不因欠压和过流而停机，则需要并联在直流环节的超级电容也就越大。

单体超级电容的容量和并联数量与总容量和串联数量为关系如下：

N_bC_f＝N_cC_s (13)

其中，N_b为并联数量，C_s为超级电容组的总容量。

步骤3：设计耗能型高电压穿越方案。变频器整流输出等效为直流电压源与电源等效内阻r相串联，逆变部分与电动机可等效为负载电阻。当开关S开路时有：

U-I*r＝R_L*I (14)

U_dc＝R_L*I (15)

当开关S闭合时，

根据上式可得：

在实际的应用中，应按照制动的平均功率来选择制动电阻功率。在制动过程中，设制动时的最大功率为，平均功率为，制动时间为t，高电压的产生周期为T。根据式可得：

平均功率可以表示为：

根据国家电网电压穿越规范，暂升时间t为0.5s，高电压的产生周期T则需根据实际情况来确定。

步骤4：根据上述提高火电机组辅机变频器具体实施步骤，给出辅机变频器优化策略。在电网发生N-1或接地短路故障后，利用该策略可提高火电机组辅机高、低电压穿越能力5％，极大提高了电网安全稳定运行水平。

发明公开了一种提高火电机组辅机变频器的高、低电压穿越能力的技术方法，属于大功率电力电子技术中的高电压穿越和低电压穿越能力测试领域，解决了故障方式下火电机组辅机高、低电压穿越问题。该方法包括：建立大电容数学模型；根据电厂实际参数，以提高火电机组辅机变频器低电压穿越能力为目标条件，制定对应的基于大电容支撑的低电压穿越技术方案；以提高火电机组辅机变频器高电压穿越能力为目标条件，制定耗能型高电压穿越方案。该方法以提高火电机组辅机高、低压故障穿越能力为最终目标，给出最优的技术发明方案，提高了火电厂和电网的安全稳定运行水平。

本发明提出的基于大电容支撑的低电压穿越方案，控制回路简单、响应迅速，在电压跌落时，可靠地维持变频器稳定运行；本发明提出的耗能型高电压穿越技术方案在变频器直流环节配置大功率卸能斩波电阻，当变频器进线电压正常时，卸能电阻处于旁路状态，当电压升高的设定值时，卸能电阻投入，变频器直流母线电压可降低至变频器可运行的压值，从保证了电压升高时，变频器不跳机。该技术同样在大型电厂得到了应用。这两种方案极大地提高火电机组辅机变频器高、低压穿越能力的技术方法可完全满足国家电网所针对辅机变频器提出的相关技术要求。

Claims (4)

1.一种提高火电机组辅机变频器高低压穿越能力的方法，其特征在于：

1)、低电压穿越方法：在电源进线电压跌落时，通过低压穿越电容向变频器中的逆变器提供直流电源支撑，具体为：

在变频器直流侧配备低压穿越电容，其低压穿越电容的端电压小于变频器直流电压值，变频器直流侧与低压穿越电容之间串联反向二极管；当火电机组辅机变频器进线电压值下降时，低压穿越电容以续流二极管为通道，向逆变器提供直流能量，使变频器在一定的时间内保持稳定运行；

2)、高电压穿越方法：当变频器进线交流电压急速升高至额定电压水平以上时，以耗能斩波的方式限制电压，具体为：在电网母线上设有检测电路，将制动电阻R与负载Rl并联，并通过电子开关S控制制动电阻R的接入和脱离；当母线上的检测电路检测到电网电压因故障而瞬间升高时，电子开关S闭合，使制动电阻R接入运行；当电网电压正常时，电子开关S断开，使制动电阻R退出运行。

2.根据要求1所述一种提高火电机组辅机变频器高低压穿越能力的方法，其特征在于：所述的1)中，低压穿越电容的最高端电压值应小于变频器直流侧母线电压的额定值。

3.根据要求1所述一种提高火电机组辅机变频器高低压穿越能力的方法，其特征在于：所述的1)中，低压穿越电容容量至为0-100μf；将此条件下的低压穿越电容视为线形储能原件，其电容的端电压与放电时间成线形关系。

4.根据要求1所述一种提高火电机组辅机变频器高低压穿越能力的方法，其特征在于：所述的2)中，检测电路试试检测母线上的直流电压，并与变频器热定直流电压比较达到差值，通过PI控制器，控制电子开关S中IGBT的占空比，从而控制控制电子开关S的通断状态。